Mağmatik Kayaçların Kırılganlık İndekslerinin Değerlendirilmesi

Transkript

1 Dokuz Eylül Üniversitesi-Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi Cilt 19 Sayı 55 Ocak 2017 Dokuz Eylul University-Faculty of Engineering Journal of Science and Engineering Volume 19 Issue 55 January 2017 DOI: /deufmd Mağmatik Kayaçların Kırılganlık İndekslerinin Değerlendirilmesi Murat YILMAZ *, Selman ER, Sinem ERİŞİŞ, Atiye TUĞRUL 1 İstanbul Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, 34320, İstanbul (Alınış / Received: , Kabul / Accepted: , Online Yayınlanma / Published Online: ) Anahtar Kelimeler Kırılganlık, Magmatik kayaçlar, Fiziko-mekanik deneyler Özet: Kaya mekaniğinde kaya malzemesinin bir davranışı olarak tanımlanan kırılganlık, günümüzde kazılabilirlik, aşındırıcılık, malzeme olarak kullanılabilirlik vb. konularının anlaşılmasında önemli veriler sağlamaktadır. Kırılganlık genellikle kayaçların dayanım özellikleri yardımıyla bulunabilmektedir. Bu çalışmanın amacı, Türkiye nin farklı bölgelerinden alınmış mağmatik kayaçların kırılganlık özelliklerini fiziksel ve mekanik özellikleri ile karşılaştırmaktır. Bunun için öncelikle mağmatik kayaçların petrografik, fiziksel ve mekanik özellikleri belirlenmiştir. Daha sonra, deneysel çalışmalardan elde edilen veriler ile kırılganlık indeksi arasındaki ilişkiler regresyon analizleri ile incelenmiştir. Sonuç olarak, mağmatik kayaçlar ile B3-B4 kırılganlık indeksleri arasında özellikle dayanım açısından anlamlı ilişkiler belirlenmiştir. Kayaçlar petrografik olarak granitik kayaçlar ve bazaltik kayaçlar olarak ayrıldığında ise granitik kayaçların bazaltik kayaçlara göre daha yüksek korelasyon katsayısı değerleri verdiği saptanmıştır. Assessment of Brittleness Index of Magmatic Rocks Keywords Brittleness, Magmatic rocks, Physicomechanical tests Abstract: Brittleness which defined as a behavior of rock material in rock mechanics, have provided important parameters for understanding excavability, abrasivity, usability as material, etc. at the present times. Brittleness have generally calculated by the help of strength properties of rocks. The aim of this study is to compare the brittleness properties of magmatic rocks obtained from different parts of the Turkey and with their physical and mechanical properties. Therefore, petrographic, physical and mechanical properties of magmatic rocks were firstly determined. Then, relations between parameters obtained from experimental studies and brittleness indices are examined with regression analysis. As a result, especially in terms of strength were determined meaningful relationship between 169

2 brittleness indexs and igneous rocks with B3-B4. When the rocks were divided into granitic rocks and basaltic rocks according to their petrographic properties, granitic rocks were given higher correlation coefficient values then basaltic rocks. *Sorumlu yazar: 1. Giriş Kırılganlık, kayacın hem mekanik hem de malzeme özelliklerini etkileyen önemli parametrelerden biri olarak, birçok araştırmacıyı bu konu üzerinde çalışmaya yöneltmiştir. Kırılganlık, kazılabilirlik, aşındırıcılık, malzeme olarak kullanılabilirlik vb. kayaçların kullanım/davranış özelliğini etkilemektedir. Bugüne kadar yapılan çalışmalara rağmen kayacın kırılganlığını doğrudan ölçecek bir test metodu mevcut değildir. Bu nedenle kırılganlık, birçok araştırmacı [1, 2, 3, 4, 5] tarafından önerilmiş farklı amprik yöntemler ile genellikle kayanın nın veya elastik özelliklerinin [6] bir fonksiyonu olarak belirlenmektedir. Jarvie ve diğ. [7] ile Wang ve Gale [8] bunlardan farklı olarak, kırılganlığı kayacın mineralojik özellikleri ile ilişkilendirerek, minerallerin bileşimlerine ve minerallerin kendi elastik özelliklerine dayalı kırılma indeksleri önermişlerdir. Guo ve diğ. [9] kırılma indekslerinin kayacın mineralojik ve jeomekanik özellikleri ile doğrudan ilişkili olduğunu ifade etmiş ve yeni kırılma indeksleri geliştirmişlerdir. Herwanger ve diğ. [10] ise, kırılganlık indeksinin, mineralojik bileşim, elastik davranış ve dayanım özelliğinin bir kombinasyonu olduğunu göstermişler ve bunların doğrultusunda kırılganlık indeksi için asıl önemli faktörün kayacın litolojisi olduğu sonucuna varmışlardır. Bu araştırma kapsamında; Türkiye nin çeşitli bölgelerinden alınan farklı doku ve bileşime sahip magmatik kayaçların kırılganlık özeliklerinin araştırılması amaçlanmıştır. Araştırmanın yapıldığı inceleme alanları Tekirdağ, Edirne, Kütahya, Düzce, Bursa, Çanakkale, Giresun, Kırklareli, İzmir, Aksaray, Yalova ve Balıkesir bölgelerini kapsamaktadır (Şekil 1). Bu çalışmada kullanılan örneklerinin alındığı yerler ve kodları Çizelge 1 de ayrıntılı olarak sunulmuştur. İnceleme kapsamında öncelikle, kullanılan magmatik kayaçların mineralojik ve petrografik özellikleri belirlenmiştir. Kayaçların fiziksel ve mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla; ağırlıkça su emme, kuru birim hacim ağırlık, efektif porozite, tek eksenli basınç, dolaylı çekme, nokta yükleme ve P dalga hızı deneyleri (P dalga) yapılmıştır. Kayaçların basınç ve dolaylı çekme dayanımları dikkate alınarak geliştirilmiş olan B1, B2, B3 ve B4 kırılma indeksleri hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar basit regresyon yöntemiyle karşılaştırılmıştır 2. Materyal ve Metot 2.1. Mineralojik ve petrografik özellikler Türkiye nin çeşitli bölgelerinden alınan mağmatik kayaçların mineralojik ve petrografik özelliklerini belirlemek amacıyla ince kesitler hazırlanmıştır. Elde edilen sonuçlar Çizelge 1 de sunulmuştur. 170

3 Şekil 1. Çalışmada kullanılan kayaçların alındığı bölgelerin yer bulduru haritası Fiziksel ve mekanik özellikler Bu çalışmada kullanılan örneklerin fiziksel ve mekanik özelliklerini bulmak için, arazi çalışmaları kapsamında toplanan iri bloklar laboratuvar ortamına getirilmiş ve bloklardan karotiyer yardımı ile BX çapında standartlara uygun karot örnekleri hazırlanmıştır. Hazırlanan karotlar üzerinde birim hacim ağırlık, toplam porozite, ağırlıkça su emme, nokta yükleme, P- dalga hızı, dolaylı çekme ve tek eksenli basınç deneyleri yapılmıştır. Deneyler, ISRM [12] ve [13] de belirtilen esaslara uygun olarak yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar Çizelge 2 de verilmiştir Kırılganlık indeksi özellikleri Mağmatik kayaçların kırılganlık özellikleri literatür de oldukça yaygın kullanılan tek eksenli basınç ve çekme arasındaki ilişkiler kullanılarak hesaplanmıştır. Bu çalışmada kullanılan kırılganlık indeksleri şunlardır: B1 =σ_c/σ_t Hucka ve Das [1] (1) B2 =(σ_c-σ_t)/(σ_c+σ_t ) Das ve Hucka [2] (2) B3=(σ_c x σ_t)/2 Altındağ [3] (3) B4= (σ_c x σ_t ) ^0.72 Yaralı ve Soyer [5] (4) Burada; σ_c tek eksenli basınç nı, σ_t çekme nı ifade etmektedir. Yukarıda belirtilen formüller kullanılarak hesaplanmış kırlganlık indeksleri Çizelge 3 de sunulmuştur. 3. Bulgular Deneyler sonucunda elde edilen veriler ile B1, B2, B3 ve B4 kırılganlık indekleri karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma metodu olarak basit regresyon yöntemi 171

4 Çizelge 1. Çalışmada kullanılan örneklerin mineralojik ve petrografik özellikleri. Örnek No S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 Alındığı Bölge Giresun/ Asarcık Giresun/ Asarcık Aksaray/ Yaylak Aksaray/ Sipahi Giresun/ Bulancak Yalova/ Fıstıklı Balıkesir/ Erdek Çanakkale/ Kestanbol İzmir/ Kozak Kırklareli/ Balaban Tekirdağ/ Saray İstanbul/ Tepecik Tekirdağ/ Osmancıkk öy Tekirdağ /Muratlı Mineral bileşimi Doku Ayrışma/Hidrot ermal Plajiyoklas, ortaklas, kuvars, biyotit, amfibol, zirkon ve opak mineral Plajiyoklas, ortaklas, kuvars, amfibol, biyotit, piroksen ve opak mineral Plajiyoklas, ortaklas, kuvars, biyotit, zirkon ve opak mineral Plajiyoklas, ortaklas, kuvars, biyotit, muskovit ve opak mineral Plajiyoklas, ortaklas, kuvars, hornblend, biyotit, epidot, zirkon, titanit, klorit ve opak mineral Plajiyoklas, ortaklas, kuvars, amfibol, Plajiyoklas,ortaklas,kuvars, biyotit Plajiyoklas, ortaklas, kuvars, biyotit, titanit hornblend ve opak mineral Plajiyoklas, ortaklas, kuvars, biyotit, hornblend, zirkon, sfen, apatit ve opak mineral Plajiyoklas, ortaklas, kuvars, hornblend, biyotit, epidot, sfen, titanit, muskovit, klorit ve opak mineral Kataklastik Kataklastik deformasyon Plajiyoklas,ortaklas,kuvars,amfibol Milonitik Kataklastik deformasyon Plajiyoklas,ortaklas,kuvars, biyotit, muskovit,klorit opak mineral Olivin, plajiyoklas, piroksen, opak Piroksen, plajiyoklas, olivin, opak S15 Tekirdağ/ Osmancıkk öy Olivin, plajiyoklas, opak S16 Kütahya Piroksen, plajiyoklas, olivin, opak S17 Düzce Plajiyoklas, piroksen(ojit), opak S18 Çanakkale/ Piroksen, plajiyoklas, olivin, opak Biga S19 S20 Bursa/ İznik Edirne/ Keşan Plajiyoklas, piroksen, opak Piroksen, plajiyolas, biyotit, opak * LeBas ve diğ. [11] a göre sınıflandırılmıştır. Porfirik Hipokristalin Holohiyalin Hipidiyomorf Hipohyalin Kataklastik deformasyon Silisleşme Talklaşma (olivin) Kloritleşme, silisleşme Karbonatlaşma, killeşme, talklaşma Kayaç adı * Kuvars monzo nit Monzo diyorit Granit Granit Granod iyorit Granod iyorit Granit Kuvars monzo nit Granod iyorit Metagr anit Amfibo llü Granit Metagr anit Bazalt Bazalt / Diyaba z Olivin Bazalt Olivin Bazalt - Bazalt Bazalt, karbonatlaşma (piroksen),çözü nme (plajiyoklas) - Bazalt Kloritleşme Mafik Damar Kayacı 172

5 seçilmiştir. Yapılan regresyon analizleri sonucunda r korelasyon katsayısı değerleri hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar ise, Kalaycı [14] tarafından önerilen korelasyon katsayısına göre 173 hazırlanmış çizelgeye göre yorumlanmıştır (Çizelge 4). Çizelge 2. Çalışmada kullanılan örneklerin fiziksel ve kimyasal özellikleri. Örnek no Birim ağırlık (kn/m 3 ) Efektif porozite Ağırlıkça su emme P dalga hızı (m/sn) Nokta yük Dolaylı çekme S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S Çalışma kapsamında kullanılan örnekler Çizelge 1 de görüldüğü gibi ayrıntılı bir şekilde tanımlanmıştır. Buna göre S1- S12 kodlu örnekler granitik kayaçlar, S13-S20 kodlu örnekler ise bazaltik kayaçdır. Mağmatik kayaçların fiziksel ve mekanik özellikleri ile B1 ve B2 kırılganlık indeks değerleri arasında yapılan karşılaştırmada, çok zayıfzayıf ilişki olduğu belirlenmiştir (Çizelge 5). Buna karşın, B3 ve B4 kırılganlık indeks değerleri ile fiziksel ve mekanik deney sonuçları arasında orta-çok yüksek ilişki belirlenmiştir (Çizelge 5). Bunun dışında, nokta yük ve P dalga hızı ile B3 kırılganlık indeksi arasında sırasıyla 0.80 ve 0.70, B4 kırılganlık indeksi arasında ise sırasıyla, 0.83 ve 0.75 korelasyon katsayısına sahip doğrusal ilişkiler belirlenmiştir (Şekil 2a-d). Tek eksenli basınç Fiziko-mekanik özellikler ile granitik ve bazaltik kayaçların kırılganlık indeks özellikleri karşılaştırıldığında, granitik kayaçların bazaltik kayaçlara göre daha iyi ilişki verdiği belirlenmiştir (Çizelge 6). Ayrıca, mağmatik kayaçların B3-B4 kırılganlık indeksi ile kuru birim hacim ağırlığı, efektif porozite ve ağırlıkça su emme arasında orta ilişki bulunmuşken (Çizelge 5), granitik kayaçların aynı kırılganlık indeksleri ile arasında orta-yüksek, bazaltik kayaçların ise zayıf-çok zayıf ilişki belirlenmiştir (Çizelge 6). Granitik ve bazaltik kayaçların P dalga, nokta yükleme, tek eksenli ve dolaylı çekme B3-B4 kırılganlık indeksleri ile karşılaştırıldığında, mağmatik kayaçların genelinde olduğu gibi ortaçok yüksek ilişki belirlenmiştir (Çizelge

6 5 ve 6). Buna karşın, aynı mekanik özellikler B1 ve B2 kırılganlık indeksleri karşılaştırıldığında, mağmatik kayaçların genelinde olduğu gibi çok zayıf-zayıf ilişki belirlenmiştir (Çizelge 5 ve 6). Çizelge 3. Hesaplanan kırılganlık indeksleri. Örnek B1 B2 B3 B4 no S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S Çizelge 4. Korelasyon katsayısına göre ilişki kuvveti [14]. r İlişki kuvveti Çok zayıf Zayıf Orta Yüksek Çok yüksek 4. Tartışma ve Sonuç Kayaçların kırılganlıklarının belirlenmesi için birçok araştırmacı tarafından farklı kırılganlık indeks formülleri geliştirilmiştir. Bu çalışmada literatürdeki çeşitli kırılganlık indekleri ile mağmatik kayaçlar arasındaki ilişkiler araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre; literatür de yaygınca kullanılan B1 ve B2 kırılganlık indeksleri ile mağmatik kayaçlar arasında anlamlı bir ilişki belirlenememiştir. Ancak B3 ve B4 kırılganlık indekleri ile mağmatik kayaçlar arasında özellikle dayanım açısından oldukça anlamlı ilişkiler belirlenmiştir. Bu çalışma kapsamında petrografik çalışmalar sonucunda elde edilen verilerle mağmatik kayaçlar granitik ve bazaltik kayaçlar olarak sınıflandırılmıştır. Ancak her iki kayaç grubunun oluşum yönünden farklı ortamları temsil ettiklerinden mineral içeriği açısından ortak bir noktaya getirilememiştir. Bu farklılık nedeniyle kırılganlık indeks değerleri ile mineral içerikleri arasında korelasyon katsayısı araştırması bu çalışmada yapılamamıştır. Ancak mağmatik kayaçlar granitik ve bazaltik kayaçlar olarak sınıflandırıldıktan sonra yapılan değerlendirmelerde; özellikle granitik kayaçların B3-B4 kırılganlık indeksleri ile fiziko-mekanik özellikleri arasında daha kuvvetli ilişkiler belirlenmiştir. Bu farklı sonuçların elde edilmesinde kayaçların mineralojik, petrografik, doku, ayrışma vb. gibi özelliklerin etkili olduğu düşünülmektedir. Yazarlar bundan sonraki çalışmarlarda araştırmacıların kayaçların kırılganlık indeksi ile fiziko-mekanik özellikleri araştırırken detaylı mineralojik, petrografik, doku, ayrışma vb. gibi özellikler üzerinde durmalarını önermektedir. 174

7 P dalga hızı (m/sn) P dalga hızı (m/sn) Nokta yük Nokta yük M. Yılmaz vd. / Mağmatik Kayaçların Kırılganlık İndekslerinin Değerlendirilmesi y = 0.01x r = B3 (a) (b) y = 0.01x r = B y = 0.66x r = B3 (c) (d) Şekil 2. Mağmatik kayaçlar için, nokta yük ve P dalga hızı ile B3-B4 kırılganlık indekleri arasındaki ilişki a) nokta yük ile B3 arasındaki ilişki, b) nokta yük ile B4 arasındaki ilişki, c) P dalga hızı ile B3 arasındaki ilişki, d) P dalga hızı ile B4 arasındaki ilişki y = 4.95x r = B4 Çizelge 5. Fiziksel ve mekanik özellikler ile mağmatik kayaçların kırılganlık indeksleri arasında belirlenen korelasyon katsayıları. Kuru birim hacim ağırlığı (kn/m 3 ) Efektif porozite Ağırlıkça su emme P dalga hızı (m/sn) Nokta yük Dolaylı çekme Tek eksenli basıç B B B B

8 Çizelge 6. Fiziksel ve mekanik özellikler ile granitik ve bazaltik kayaçların kırılganlık indeksleri arasında belirlenen korelasyon katsayıları. B1 B2 B3 B4 Kayaç grubu Kuru birim hacim ağırlığı (kn/m 3 ) Efektif porozite Kaynakça [1] Hucka, V., ve Das, B Brittleness determination of rocks by different methods. In International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 11 (10), PergamonWangler, T. P RF Linear Accelerators. 2nd, completely revised and enlarged edition. WILEY-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, Weinheim, 450s. [2] Das, B., ve Hucka, V Laboratory investigation of penetration properties of the complete coal series. In International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts 12 (7), Pergamon. [3] Altindag, R The evaluation of rock brittleness concept on rotary blast hole drills. Journal- South African Institute of Mining and Metallurgy, 102(1), [4] Yagiz, S., Assesment of brittleness using rock strength and density with punch penetration test, Tunneling and Underground Space Technology article, 24 (1), [5] Yarali, O., ve Soyer, E The effect of mechanical rock properties and brittleness on Ağırlıkça su emme 176 P dalga hızı (m/sn) Nokta yük Dolaylı çekme Tek eksenli basınç GRANİTİK BAZALTİK GRANİTİK BAZALTİK GRANİTİK BAZALTİK GRANİTİK BAZALTİK drillability. Sci Res Essays, 6(5), [6] Rickman, R., Mullen, M., Petre, E., Grieser, B., and Kundert, D., A practical use of shale petrophysics for stimulation design optimization: All shale plays are not clones of the Barnett Shale: SPE annual technical conference and exhibition, Denver, Colorado, SPE [7] Jarvie, D. M., Hill, R. J., Ruble, T. E., and Pollastro, R. M., Unconventional shale-gas systems: the Mississippian Barnett Shale of North-Central Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment: AAPG Bulletin, 91, [8] Wang, F.P. ve Gale, J. F. W., Screening criteria for shale-gas systems: Gulf Coast Association of Geological Societies Transactions, 59, [9] Guo, Z., Li, X., Liu, C., Feng X., Shen, Y., A shale rock physics model for analysis of brittleness index, mineralogy and porosity in the Barnett Shale. Journal of Geophysics and Engineering, 10 (2). [10] Herwanger, J. V.,. Bottrill, A. D., Mildren S.D., Uses and Abuses of the Brittleness Index With Applications to Hydraulic

9 Stimulation, Unconventional Resources Technology Conference, Texas (USA), Temmuz. [11] LeBas, M.J. and Streckeisen, A.L., 1991, The IUGS Systematics of Igneous Rocks, Journal of the Geological Society, 148, [12] ISRM, B. E Suggested methods: rock characterization, testing and monitoring. ISRM Commission on Testing Methods. Pergamon, Oxford. [13] ISRM, Ulusay, R., & Hudson, J. A The complete ISRM suggested methods for rock characterization, testing and monitoring: Commission on testing methods. International Society of Rock Mechanics. Compilation arranged by the ISRM Turkish National Group, Ankara, Turkey,628. [14] Kalaycı, Ş., SPSS Uygulamalı çok değişkenli istatistik teknikleri, Asil Yayınevi, Ankara,